ÇOKLU GAZ KARIŞIMI PLAZMALARININ OPTĐK EMĐSYON SPEKTROSKOPĐSĐ SUAT PAT DOKTORA TEZĐ FĐZĐK Anabilim Dalı Mart 2007

(1)

ÇOKLU GAZ KARIŞIMI PLAZMALARININ OPTĐK EMĐSYON SPEKTROSKOPĐSĐ

SUAT PAT DOKTORA TEZĐ FĐZĐK Anabilim Dalı

Mart 2007

(2)

OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY OF MULTIPLE GAS MIXING PLASMAS

SUAT PAT

DOCTORAL DISSERTATION Department of PHYSICS

March 2007

(3)

ÇOKLU GAZ KARIŞIMI PLAZMALARININ OPTĐK EMĐSYON SPEKTROSKOPĐSĐ

SUAT PAT

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca

Fizik Anabilim Dalı

Atom ve Molekül Fiziği Bilim Dalında DOKTORA TEZĐ

Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Prof.Dr.Naci EKEM

Mart 2007

(4)

SUAT PAT’ in DOKTORA tezi olarak hazırladığı “ÇOKLU GAZ KARIŞIMI PLAZMALARININ OPTĐK EMĐSYON SPEKTROSKOPĐSĐ” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

Üye : Prof.Dr.Naci EKEM

Üye : Prof.M.Selami KILIÇKAYA

Üye : Doç.Dr.Salih OKUR

Üye : Prof.Dr.Geavit MUSA

Üye : Yrd.Doç.Dr.Özden TEZEL

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU Enstitü Müdürü

(5)

ÖZET

National Institute for Laser Plasma and Radiation Physics (NILPRP), Low temperature plasma laboratory, Bucharest/Romania’da yıllardır, küçük deşarj boşluk derinlikli plazma ekran panelleri (P.D.P.) üzerine araştırmalar gerçekleştirilmektedir.

Kullanılan plazma, bir elektro pozitif gaz (Ar, Ne, Kr ve Xe) ve bir elektro negatif gaz (H₂, O₂ ve Cl₂) karışımı plazmalarında yüksek basınçlarda (100-400 Torr) üretilmiştir.

Deşarjı oluşturmak için, genellikle 1-2 kV’luk gerilime ve kHz mertebesinde frekanslara sahip güç kaynağı kullanılmıştır.

Bu çalışmada, plazma oluşturmak için yeni bir deşarj cihazı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Büyük deşarj boşluk derinliğinde (36 mm) ve çapı 18 mm’lik bu deşarj cihazı düşük gaz karışım basınçlarında (30-70 Torr) çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu deneyler esnasında, saf Ar, saf Ne, Saf He, %50Ar+%50H₂,

%50Ne+%50H2, %50He+%50H2, %15Ar+%15Ne+%70H2, %25Ar+%25Ne+%50H2,

%35Ar+%35Ne+%30H2, %45Ar+%45Ne+%10H2 gaz ve çoklu gaz karışımları kullanılmıştır. Deşarjın bu çeşidi on yıl kadar önce NILPRP, Romanya’da geliştirilmiştir. Bu çalışmada, 25 kHz, 25kV atmalı güç kaynağı kullanılmıştır. Elde edilen deşarjların spektrumlar, 200-850 nm aralığında optiksel çok kanallı analizör (O.M.A.) kullanılarak elde edilmiş ve değerlendirilmiştir. Elektriksel deşarjın akımı saf gaz ve çoklu gaz karışımlarında oluşturulmuş ve incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, deşarj akımının basınca bağlı olmadığını göstermektedir.

Spektrumlardan elde edilen sonuçlar NILPRP araştırma grubunun yayınladığı sonuçlara benzerdir. Monokromatizasyon etkisi yukarıdaki çoklu gaz karışımları kullanılarak yeni tip deşarj cihazında üretilebilmiştir.

Ayrıca bu çalışmada, O.M.A.’nın farklı bir uygulaması olarak da, Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) gümüş buhar plazması için farklı parametrelerde; plazma elektron sıcaklığı, parçacık yoğunluğu ve ideal olmayan etki değeri hesaplanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Plazma, Gaz boşalmaları, Spektroskopi, Optoelektronik sistemler, Optik emisyon spektroskopisi, Monokromatizasyon, M-etkisi, Plazma ekran panelleri

(6)

SUMMARY

Over the years extended studies on the narrow gap plasma display panels (P.D.P.) were performed at National Institute for Laser Plasma and Radiation Physics (NILPRP) at Low temperature plasma physics laboratory, Bucharest/Romania. The used plasma were generated in multiple gas mixtures with an electropositive gas (Ar, Ne, Kr and Xe) and an electronegative gas (H₂, O₂ and Cl₂) at high pressure (100-400 Torr). In generally, the discharge was ignited using a kHz scale power supply of 1-2 kV.

In this study, a discharge device was mounted for plasma generation. The discharge device was designed in the form of extended gap (36 mm) with a diameter of 18mm which was filled with low pressure multiple gas mixture (30-70 Torr). Used gas and multiple gas mixtures were pure Ar, pure Ne, pure He, %50Ar+%50H2,

%50Ne+%50H₂, %50He+%50H₂, %15Ar+%15Ne+%70H₂, %25Ar+%25Ne+%50H₂,

%35Ar+%35Ne+%30H2 and %45Ar+%45Ne+%10H2. These types of discharges were developed at NILPRP, Romania more than a decade. In this research were ignited using a 25 kHz power supply of pulsed 25 kV. Spectra of the discharges were obtained by using optical multi channel analyzer (O.M.A.) in the range of 200-850 nm. Electrical discharges current were produced and investigated in pure gas and mixture gases. It was pointed out that discharge currents were not depended on gas pressure.

The obtained results on the spectra were similar to those reported by the group of researchers from NILPRP. Monochromatization effect was generated by used above gas mixture discharge in a discharge device with the above mentioned characteristics.

In addition, as different applications of the optical multi channel analyzer (O.M.A.), plasma temperature, particle density and non-ideal factor were calculated by using this technique at the Thermionic Vacuum Arc (T.V.A.) silver vapor plasma.

Keywords: Plasma, Gas discharges, Spectroscopy, Optoelectronic systems, Optical Emission spectroscopy, Monochromatization, M-effect, Plasma display pannel

(7)

TEŞEKKÜR

Doktora çalışmam süresince, gerek derslerimde ve gerekse deneysel çalışmalarımda, bana danışmanlık ederek beni yönlendiren, ulusal ve uluslararası bilimsel aktivitelerde yer almamız için her türlü imkânı sağlayıp, ilgisini esirgemeyen danışmanım, örnek bilim insanı Sayın Prof. Dr. Naci EKEM'e teşekkür ederim.

Sahip olduğu engin tecrübe ve bilgisi ile, plazma fiziği alanında bize yeni ufuklar açan örnek bilim insanı Sayın Prof. Dr. Geavit MUSA'ya, teorik ve deneysel çalışmalarımızdaki yardımı, yakın ilgisi ve desteği için teşekkür ederim.

Deneysel çalışmalarım esnasında her türlü yardım, ilgi ve dostluklarını esirgemeyen Sayın Arş. Gör. M. Zafer BALBAĞ ve Sayın Arş. Gör.M. Đlker CENĐK'e teşekkür ederim.

(8)

ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa

ÖZET………. v

SUMMARY……….. vi

TEŞEKKÜR……….. vii

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ………. x

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ……… xvi

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ……….. xvii

1.GĐRĐŞ VE AMAÇ……….. 1

2. PLAZMA ĐÇERĐSĐNDE MEYDANA GELEN REAKSĐYONLAR……… 3

2.1. Homojen Reaksiyonlar………... 4

2.1.1 Elektronlar ile ağır parçacıklar arasındaki etkileşmeler………. 4

2.1.2. Ağır parçacıklar arasındaki reaksiyonlar..………. 8

3. ÇOKLU GAZ KARŞIMI PLAZMALARINDA GERÇEKLEŞEN OLAYLAR…… 13

3.1. Atomların ve Moleküllerin Uyarılması………... 13

3.2 Atomların ve Moleküllerin Đyonizasyonu……… 13 3.3 Đyon-Đyon ve Đyon-Elektron Yeniden Birleşmesi……… 14

3.3.1 Đyon-iyon yeniden birleşmesi………. 16

3.3.2 Đyon-elektron yeniden birleşmesi...……… 19

3.4 Negatif Đyonların Üretilmesi………... 20

3.5 Monokromatizasyon Etkisi ve Oluşum Mekanizması………. 21

4.PLAZMADAN YAYINLANAN RADYASYONUN SPEKTROSKOPĐSĐ 30 4.1 Giriş………. 30

4.2 Absorpsiyon ve Emisyon………. 30

(9)

ĐÇĐNDEKĐLER (Devam) Sayfa

4.2.1 Kendiliğinden geçiş olasılığı……….. 30

4.2.2 Ayrıntılı Dengenin Đlkeleri………. 32

4.2.3 Einstein Katsayısı………... 33

4.3 Atomik Spektroskopi………... 34

4.4 Moleküler Spektroskopi……….. 41

4.4.1 Moleküllerin dönme spektrumu………. 41

4.4.1 Moleküllerin titreşim-dönme spektrumu………... 42

4.4.1 Elektronik-titreşim-dönme spektrumu………... 44

4.5 Optik Emisyon Spektroskopisi (O.E.S.) ve Plazma Karakterizasyonu…………... 47

5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR……….. 51

5.1 Đyonların Birleşme Reaksiyonlarının Deneysel Sonuçları………... 51

5.1.1 Deney sistemi……….. 51

5.1.2 Deneyin yapılışı ve deney sonuçları………... 55

5.2. Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) Gümüş (Ag) Metal Plazmalarının Spektral Ölçümleri……… 111

5.2.1 Deney sistemi..……… 111

5.2.2 Deney sonuçları……….. 112

6.SONUÇ ve TARTIŞMA…...………. 122

7.KAYNAKLAR……… 126

8. ÖZGEÇMĐŞ……….. 132

(10)

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ

Şekil Açıklama Sayfa

2.1 Plazma içerisinde meydana gelen reaksiyonlar………... 3

3.1 (Ne+%1Xe) gaz karışımının 500–800 nm aralığında elde edilen optik emisyon spektroskopisi……….. 22

3.2 %50(%99Ne+%1Xe)+%50H₂gaz karışımının 500-800 nm aralığında elde edilen optik emisyon spektroskopisi………... 23

3.3 Neon atomunun Grotrian diyagramı………... 24

3.4 M değerinin, Ne+%1Xe+H₂Penning tipi çoklu gaz karışımı basıncı ile değişimi... 26

4.1 Đki seviyeli bir atomun enerji diyagramı………... 31

4.2 Şematik olarak çizilmiş üç seviyeli bir atomun enerji diyagramı………... 32

4.3 T₁,T₂,T₃ veT₄Terim değerleri ve olası geçişler……… 36

4.4 Lityum atomunun Grotrian diyagramı……… 37

4.5 Hidrojenin atomunun (a) absorbsiyonu, (b) emisyonu için Grotrian diyagramı……… 40

4.6 Hidrojen atomunun plazma reaktöründe ya da elektriksel deşarj cihazındaki emisyon spektrumu……….………... 41

4.7 Titreşim ve dönme spektrumunun izinli geçişleri ve spektrum çizgilerinin genel görünümü……… 44

4.8 Đki atomlu bir molekülün elektronik-titreşim-dönme enerji düzeylerinin bağıl konumları ve izinli geçişleri………... 46

4.9 Đki atomlu bir molekülde, enerji düzeylerinin bağıl konumlarını………... 46

4.10 Plazmanın optik emisyon spektroskopisi için deneysel düzenek………... 48

5.1 Deneysel sistemin şematik gösterimi………... 52

5.2 Dielektrik bariyer deşarj deneysel sisteminin dijital fotoğrafı……….………... 52

5.3 Deşarj tüpü ve elektrotlar……… 53

5.4 Elektrotların dijital fotoğrafları………... 53

5.5 Kullanılan güç kaynağının fotoğrafı………... 54

5.6 Güç kaynağının voltaj-zaman değişimi………..………. 55

5.7 (a) Deşarj tüpü ve bağlantı sistemleri için Basınç (Torr)-Zaman (s) değişimi, (b) Vakum kaçağından dolayı bazı spektrumlarda görünen havaya ait pikler………... 56

5.9 Argon gazının 70 Torr’daki ark deşarjının fotoğrafında katot ve anot uç noktaları ile spektrumun alındığı noktaların gösterimi………...………... 57

5.8 Deşarj tüpünde spektrumların alındığı noktalar………... 57

(11)

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ (Devamı)

5.10 Deşarj tüpünde Ar ve Ne gazının farklı basınçlardaki deşarjlarının dijital

fotoğrafları………... 58 5.11 Ar gazı (70 Torr) deşarjının 2 numaralı prob konumundan alınan optik emisyon

spektrumu……… 59

5.12 Saf argon gazının maksimum şiddetteki pikleri için ( I750.38 nm ve I763.51 nm ) ayrı ayrı basınç- şiddet değişim grafikleri………... 61 5.13 Saf argon gazının elektriksel deşarjı esnasında ölçülen Basınç(Torr)-Akım (mA) değişimi

grafiği………... 61

5.14 Ne gazı (70 Torr) deşarjının 2 numaralı prob konumundan alınan optik emisyon

spektrumu………... 62

5.15 Saf neon gazının maksimum şiddetteki pikleri için ( I585.24nm ,I614.30nm ve I640.22 nm) ayrı ayrı basınç-şiddet değişim grafikleri….………... 64 5.16 Saf neon gazının elektriksel deşarjı esnasında ölçülen Basınç(Torr)-Akım (mA) değişimi

grafiği………... 64

5.17 Helyum gazı (70 Torr) deşarjının 2 numaralı prob konumundan alınan optik emisyon

spektrumu……… 65

5.18 %50 Ar+%50H2 çoklu gaz karışımı ( 70 Torr) deşarjının optik emisyon spektrumu………. 67 5.19 (a) Saf argon gazı ile, (b) %50Ar+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının 70 Torr basınçta

ve 2 numaralı prob konumundaki optik emisyon spektrumlarının karşılaştırılması………... 68 5.20 %50Ar+%50H2 çoklu gaz karışımındaki M değerinin deşarj tüpü içerisindeki basınç ile

değişimi………... 70

5.21 %50 Ar+%50 H2 çoklu gaz karışımında deşarj tüpündeki basınca göre I750.38 nm ve

I763.51nm’nin değişimi………... 71

5.22 Saf Ar ve %50 Ar+%50H2 gaz karışımında deşarj tüpündeki basınca göre I750.38nm’nin

5.23 Saf Ar ve %50Ar+%50H2 çoklu gaz karışımında deşarj tüpündeki basınca göre I763.51nm’nin

değişimi……….. 72

5.24 %50Ar+%50H2 çoklu gaz karışımı elektriksel deşarjı esnasında ölçülen Basınç(Torr)-

Akım (mA) değişimi grafiği……… 73 5.25 %50 Ne+%50H2 çoklu gaz karışımı (70 Torr) deşarjının optik emisyon spektrumu………. 74 5.26 (a) Saf Neon gazı ile, (b) %50Ne+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının 70 Torr

basınçta ve 2 numaralı prob konumundaki optik emisyon spektrumlarının karşılaştırılması. 75

(12)

5.27 %50Ne+%50H2 çoklu gaz karışımındaki M değerinin deşarj tüpü içerisindeki basınç ile

5.28 %50 Ne+%50 H2 gaz karışımında deşarj tüpündeki basınca göre I585.3nm , I614.3nm ve

I640nm’nin değişimi ……….. 78

5.29 Saf Ne ve %50Ne+%50H2 çoklu gaz karışımında deşarj tüpündeki basınca göre

I585.24nm’nin değişimi……… ………... 79

I614.20nm’nin değişimi……… 80

I640.22nm’nin değişimi……… 80

5.32 %50Ne+%50H2 çoklu gaz karışımı elektriksel deşarjı esnasında ölçülen Basınç (Torr)-

Akım (mA) değişimi grafiği……… 81 5.33 %50He+%50H2 çoklu gaz karışımı (70 Torr) deşarjının optik emisyon spektrumu……….. 82 5.34 (a) Saf helyum gazı ile, (b) %50He+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının 70 Torr

basınçta ve 2 numaralı prob konumundaki optik emisyon spektrumlarının karşılaştırılması. 83 5.35 % 15 Ar +% 15 He+% 70 H2 gaz karışımı deşarjı spektrumunda 585.24 nm dalga boylu

geçiş için bağıl şiddet-basınç (Torr) değişimi grafiği………...……….. 85 5.36 Neon soy gazının saf, %50Ne+%50H2 ve %15Ar+%15Ne+%70H2 durumunda

monokromatizasyon değerini veren 585.24nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 86 5.37 % 15Ar +%15 Ne+%70H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının ölçülmüş olan 750.38 nm dalga

boylu geçiş için karşılık gelen bağıl şiddet-basınç (Torr) değişimi grafikleri………... 87 5.38 Argon soy gazının saf, %50 Ne+%50H2 ve %15Ar+%15Ne+%70H2 durumunda

monokromatizasyon değerini veren 750.38 nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 88 5.39 % 15 Ar+% 15 Ne+% 70 H2 çoklu gaz karışımı deşarjları için 585.24 nm’lik pikin

750.38 nm’lik pike oranının (

Ar NeI

I ) basınç ile değişimi………... 89

5.40 % 15Ar+% 15 Ne+% 70 H2 gaz karışımı deşarjları için 585.24 nm’lik pikin 750.38 nm’lik pike oranının (

Ar Ne I

I )- deşarj uzunluğu ile değişimi……….. 90

(13)

5.41 %15Ar+%15Ne+%70H2 çoklu gaz karışımları elektriksel deşarjı esnasında ölçülen

Basınç(Torr)-Akım (mA) değişimi grafiği……….. 91 5.42 % 25 Ar +% 25 He+% 50 H2 gaz karışımı deşarjı spektrumunda 585.24 nm dalga boylu

monokromatizasyon değerini veren 585.24nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 93 5.44

%25Ar +%25Ne+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının ölçülmüş olan 750.38 nm dalga boylu geçiş için karşılık gelen bağıl şiddet-basınç (Torr) değişimi grafikleri……… 93 5.45 Argon soy gazının saf, %50Ne+%50H2 ve %25Ar+%25Ne+%50H2 durumunda

monokromatizasyon değerini veren 750.38 nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 94 5.46 % 25 Ar+% 25 Ne+% 50 H2 çoklu gaz karışımı deşarjları için 585.24 nm’lik pikin 750.38

nm’lik pike oranının (

Ar NeI

I ) basınç ile değişimi……….. 95

Ar Ne I

5.48 % 25Ar+%25Ne+%50H2 çoklu gaz karışımları elektriksel deşarjları esnasında ölçülen

Basınç (Torr)-Akım (mA) değişimi grafiği………. 97 5.49 % 35 Ar +% 35 He+% 30 H2 gaz karışımı deşarjı spektrumunda 585.24 nm dalga boylu

monokromatizasyon değerini veren 585.24nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç(Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması……… 99 5.51 %35Ar+%35Ne+%30H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının ölçülmüş olan 750.38 nm dalga

boylu geçiş için karşılık gelen bağıl şiddet-basınç (Torr) değişimi grafikleri……… 100 5.52 Argon soy gazının saf, %50Ne+%50H2 ve %35Ar+%35Ne+%30H2 durumunda

monokromatizasyon değerini veren 750.38 nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması……….. 101

(14)

5.53 % 35 Ar+% 35 Ne+% 30 H2 çoklu gaz karışımı deşarjları için 585.24 nm’lik pikin 750.38 nm’lik pike oranının (

Ar NeI

Ar Ne I

I )-deşarj uzunluğu ile değişimi……….. 103

5.55 % 35Ar+% 35 Ne+% 30 H2 çoklu gaz karışımları elektriksel deşarjları esnasında ölçülen

Basınç (Torr)- Akım (mA) değişim grafiği………. 104 5.56 % 45 Ar +% 45 He+% 10 H2 gaz karışımı deşarjı spektrumunda 585.24 nm dalga boylu

monokromatizasyon değerini veren 585.24nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 105 5.58 %45Ar+%45Ne+%10 H2 çoklu gaz karışımı deşarjlarının ölçülmüş olan 750.38 nm dalga

boylu geçiş için karşılık gelen bağıl şiddet-basınç (Torr) değişimi grafikleri……… 106 5.59 Argon soy gazının saf, %50Ne+%50H2 ve %45Ar+%45Ne+%10H2 durumunda

monokromatizasyon değerini veren 750.38 nm’lik dalga boylu geçiş için bağıl şiddet- basınç (Torr) değişim grafiklerinin karşılaştırılması………... 107 5.60 % 45 Ar+% 45 Ne+% 10 H2 çoklu gaz karışımı deşarjları için 585.24 nm’lik pikin 750.38

nm’lik pike oranının (

Ar NeI

Ar Ne I

5.62 % 45Ar+% 45 Ne+% 10 H2 çoklu gaz karışımları elektriksel deşarjları esnasında ölçülen

Basınç (Torr)-Akım (mA) değişim grafiği……….. 110 5.63 T.V.A. Ag metal plazması optik emisyon spektroskopisi sisteminin şematik çizimi………. 111 5.64 Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) gümüş metal plazması analizi için kullanılan kolimatör

ve kolimatör prob numaraları……….. 112 5.65 1 numaralı parametre grubu için Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen

gümüş metal plazmasının fotoğrafı………. 113

(15)

5.66 2 numaralı parametre grubu için Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen

gümüş metal plazmasının fotoğrafı………. 114

5.67 3 numaralı parametre grubu için Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen gümüş metal plazmasının fotoğrafı………. 114

5.68 4 numaralı parametre grubu için Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen gümüş metal plazmasının fotoğrafı………. 114

5.69 1 numaralı parametre grubu için Temiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen gümüş metal plazmasının 5 numaralı kolimatör probundan alınmış spektrumu……… 115

5.70 1 numaralı parametre grubu için Temiyonik Vakum Ark (T.V.A.) cihazında elde edilen gümüş metal plazmasının kolimatör numaralarına göre λ1= 327.33 nm ve λ2= 337.13 nm dalga boylarının şiddetinin karşılaştırılması………... 115

5.71 T.V.A. Vakum odası üzerindeki camın UV spektrumu ve Gaussian uyumu……….. 116

5.72 Uygulanan voltaja karşı elektron sıcaklığının değişimi……….. 117

5.73 Plazma parçacık yoğunluğu ile plazma elektron sıcaklığının değişimi……….. 117

5.74 Uygulanan voltaj ile parçacık yoğunluğunun değişimi grafiği………... 118

5.75 Filaman akımı 21 Amper için plazma elektron sıcaklığı ile parçacık yoğunluğunun değişimi………... 118

5.76 Filaman akımı 21 Amper için deşarj akımına göre γ ideal olmayan etkinin değişimi……... 119

5.77 Plazma elektron sıcaklığının filaman akımına göre değişimi………. 120

5.78 Filaman akımı 18, 19, 20 ve 21 Amper için filaman akımına göre γ ideal olmayan etkinin değişimi………... 120

5.79 Filaman akımı 18, 20 ve 21 Amper için plazma elektron sıcaklığına göre γ ideal olmayan etkinin değişimi………... 121

(16)

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ

Çizelge Açıklama Sayfa

2.1 Bazı atom ve moleküllerin iyonizasyonu potansiyelleri……….. 5

3.1 M etkisi için araştırılan gaz karışımları ve dalga boyu değerleri………. 28

5.1 Nötral argon atomunun var olan çizgi spektrumu değerleri………. 60

5.2 Nötral neon atomunun var olan çizgi spektrumu değerleri……….. 63

5.3 Nötral gümüş metalinin geçiş dalga boyu ve enerji seviyeleri………. 66

5.4 %50Ar+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjı için farklı deşarj tüpü basıncındaki Monokromatizasyon değerleri………. 69

5.5 %50Ne+%50H2 çoklu gaz karışımı deşarjı için farklı deşarj tüpü basıncındaki Monokromatizasyon değerleri………. 77

5.6 Gümüş metal plazması parametreleri ve plazma elektron sıcaklığı…………. 112

(17)

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ Simgeler Açıklama

N2 Atomun üst enerji seviyesi N1 Atomun alt enerji seviyesi

h Planck sabiti

υ Foton frekansı

Amn m seviyesinden n seviyesine kendiliğinden geçiş olasılığı

τ Uyarılmış seviyede kalış süresi υ

υ

ρ( )d Yayınlanan radyasyon yoğunluğu g Seviyenin istatistiksel ağırlığı

Bmn Farklı iki seviye arasındaki geçiş olasılığı R′ Rydberg sabiti

n Kuantum sayısı

K ve d Balmer ve Rydberg seri sabiti υ Dalga sayısı

λ Dalga boyu

T Atom seviyelerinin terim sabiti

ϖ Osilasyon frekansı Nυ Osilasyon sayısı

EmveE_n m ve n seviyesinin enerji seviyeleri

Cmn M enerji seviyesinden n enerji seviyesine birim zamandaki geçiş olasılığı K Dönme tayfı kuantum sayısı

I Eylemsizlik momenti

ε Atom başına düşen ortalama kinetik enerji Qi Đyonizasyon tesir kesiti

Z Atom numarası

n+ve n⁻ Pozitif ve negatif iyonların sayısı k Boltzmann sabiti

Q Yeniden birleşme tesir kesiti P Basınç

T Gaz sıcaklığı I Işık şiddeti

(18)

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ (Devamı) Kısaltmalar Açıklama

P.D.P. Plazma ekran paneli M Monokromatizasyon değeri O.E.S. Optik emisyon spektroskopisi O.M.A. Optiksel Çok Kanallı Analizör

T.V.A. Termiyonik Vakum Ark I.C.P. Đndüktif Eşlemeli Plazmalar

(19)

1.GĐRĐŞ ve AMAÇ

Plazma televizyonlarının ekran panallerindeki (Plasma Display Panel; P.D.P.) elektriksel deşarj hücreleri (piksel) oldukça küçük deşarj boşluk derinliğine (0.15mm) sahiptirler ve bu tip deşarj hücreleri 400–600 Torr’luk gaz veya gaz karışımı basınçlarında çalışmaktadır (Bu basınç değeri plazma çalışmalarında yüksek basınç değeri olarak ifade edilmektedir). Bu panellerde santimetre kare başına 100–400 deşarj hücresi mevcuttur ve kullanılan gaz veya gaz karışımı plazmasını üretmek için kare dalga güç kaynakları kullanılmaktadır. Bu güç kaynağının gerilim değeri genellikle 1-2 kV, frekansı ise kHz mertebesindedir.

Bu deşarj hücrelerinde soy gaz kullanılarak oluşturulan gaz karışımı plazmalarında Monokromatizasyon etkisi (M-etkisi) olarak isimlendirilen yeni ve beklenmedik bir olay ortaya çıkmaktadır[1–25]. Bu olay, bir soy gaz ile H2 ya da O2

gibi bir elektronegatif gaz karışımının spektrumunda, soy gaza ait olan sadece bir geçişin bağıl şiddeti artarken bunun haricindeki diğer tüm geçişlerin bağıl şiddetlerinin azalması ve belirli parametre değerlerinde spektrumda tamamen görünmemesi olayıdır.

M-etkisi, alternatif akım plazma ekran panel hücrelerine 100-400 Torr basınçlardaki Penning tipi bir gaz karışımı olan Ne+%0.1Ar gaz karışımı içerisine azot gazının %0.005 ile %10 alalığındaki oranlarda ilave edilmesi sonucu gözlenmiştir [1].

Azot gazının mikrodalga deşarjına etanol eklenmesi sonucunda oluşan deşarjda 388.3nm- 387.1nm bölgede CN lazeri olasılığı gözlenmiştir [2]. Neon-argon- hidrojen ve Neon-ksenon-hidrojen çoklu gaz karışımlarının plazma ekran panelleri deşarj hücresinde, 100-400 Torr gaz basıncı aralığında 5kHz’lik radyo frekans deşarjında 585.3nm dalga boylu monokromatik dalga boylu foton oluşturulmuştur[3]. Neon- argon-hidrojen çoklu gaz karışımlarında ise 585.3nm’li monokromatik foton oluşturulmuştur ve kaynak 4’de M etksi oluşum mekanizması açıklanmıştır [4].

Kaynak 5’de ise çeşitli deşarj tüplerinde Ne+Xe+H₂ çoklu gaz karışımı plazmalarında 585.3 nm’li monokromatik dalga boylu foton oluşturulmuş ve M etkisinin basınç, sıcaklık, H₂ konsantrasyonu, argon ya da ksenon yüzdesine bağlı olduğu ifade

(20)

edilmiştir. DC deşarj tüplerindeki M etkisi, negatif ışıldama bölgesinde neon gazı içerisine hidrojen gazının ilave edilmesiyle gözlenmiştir [7]. Ne-Ar-H2 çoklu gaz karışımlarında da neredeyse monokromatik dalga boylu foton oluşturulabilmiştir [8-9].

Elektronegatif gaz olarak SF6 kullanılarak plazma ekran panelleri hücreleri dielektrik bariyer deşarj üretilmiştir [10-11]. Bu etkinin uygulaması olarak da, kuvvetli bir UV ışık kaynağı oluşturulmuştur [12]. Kaynak 13-17’de M-etkisinin oluşum mekanizmaları ise iyon iyon yeniden birleşme reaksiyonu açıklanmıştır. Yüksek basınç ve küçük boşluk derinliğinde yapılan deneysel çalışmalarda Ne, Ar, Kr ve Xe soy gazlarına elektronegatif bir gaz olarak H₂, O₂ ve Cl₂’nin eklenmesi ile ortaya çıkan M etkisinin kontrolü sağlanabilmiştir [18–19]. Penning lazerlerinde, yeni tip lazer oluşturmada, plazma ekranlarda, UV ışık kaynağı olarak ve monokromatik dalga boylu foton oluşturmada kullanılmaktadır [20–26]. Ayrıca bu tür gaz karışımları glow deşarj ile materyallerin yüzey işlemlerinde de kullanılmaktadır [21, 27–32].

Bu çalışmanın amacı,

i- Deşarj boşluk derinliği büyük (36 mm) ve düşük gaz basınçlarına (30-70 Torr) sahip dielektrikli deşarj tüpü tasarlamak ve bu sistemi gerçekleştirmek,

ii- Bu deney sisteminde soy gaza ait elektronların enerji seviyeleri arasındaki geçişlerini gösteren optik emisyon spektrumlarını elde etmek ve çizgi spektrumlarının bağıl şiddetlerinin basınç ve gaz karışım oranına göre değişimlerini incelemek,

iii- Saf gaz ve çoklu gaz karışımlarında deşarj akımlarının basınç ile değişimini incelemek,

iv- Elde edilen gözlem sonuçlarını değerlendirmek,

v- Optik emisyon spektroskopisinin farklı bir uygulaması olarak da, Termiyonik Vakum Ark (T.V.A.) gümüş buhar plazması için elektron sıcaklığı, parçacık yoğunluğu ve ideal olmayan faktör hesaplarının yapmak,

şeklinde özetlenebilir. Dielektrikli deşarj tüpünde gaz veya gaz karışımı plazmasını üretmek için 25 kV, 25 kHz’lik güç kaynağı kullanılmıştır.

(21)

2. PLAZMA ĐÇERĐSĐNDE MEYDANA GELEN REAKSĐYONLAR

Plazma içerisinde, plazma kimyası olarak isimlendirilen birçok reaksiyon gerçekleşmektedir. Bu reaksiyonları homojen reaksiyonlar ve heterojen reaksiyonlar olmak üzere iki ana başlık altında toplayabiliriz. Şekil 2.1’de bu reaksiyonlar gösterilmiştir [33].

PLAZMA ĐÇERĐSĐNDE MEYDANA GELEN REAKSĐYONLAR

HOMOJEN REAKSĐYONLAR HETEROJEN REAKSĐYONLAR

Elektronlar ile ağır parçacıkların etkileşmeleri

Ağır Parçacıklar ile başka ağır parçacıkların etkileşmeleri

- Adsorbsiyon, - Yeniden oluşma -Kararlı hale geliş, -Püskürtme -Polimerizasyon

Đyon molekül reaksiyonları Radikal molekül reaksiyonları -Đyonların birleşmesi

-Yük transferi

-Ağır reaktant transferi -Birleştirici ekleme

- Elektron transferi -Đyonizasyon

-Penning iyonizasyonu/ayrışması -Atom birleşmesi

-Atomların yer değiştirmesi -Radikallerin yeniden birleşmesi -Kimyasal lüminesans

-Đyonizasyon - Uyarılma -Ayrışma

-Ayrıştırıcı Reaksiyonlar -Yeniden Birleşme

Şekil 2.1. Plazma içerisinde meydana gelen reaksiyonlar [33]

Homojen reaksiyonlar iki gruba ayrılır. Birincisi, elektronlar ile ağır parçacıkların etkileşmeleri, ikincisi ise ağır parçacıklar ile başka ağır parçacıkların etkileşmeleridir.

Homojen reaksiyonların çoğunda, etkileşim sonucu radyasyon açığa çıkar. Bu reaksiyonların herhangi birinin oluşma olasılığı, tesir kesiti değeri ile ifade edilir.

Plazma ve elektriksel deşarjlar içerisinde gerçekleşen homojen reaksiyonlar, ilgili parçacıklar arasındaki elastik olmayan çarpışmaların sonucudur [33].

(22)

Heterojen reaksiyonlar ise plazma ile katı yüzeyler arasındaki reaksiyonlardır. Bu nedenle enerjili parçacıklar ile yüzey etkileşmeleri olarak da ifade edilirler. Çalışma alanımız heterojen reaksiyonlar olmayıp, homojen reaksiyonlardaki etkileşmelerin her birine kısaca değinmekte yarar vardır [33].

2.1. Homojen Reaksiyonlar

2.1.1 Elektronlar ile ağır parçacıklar arasındaki etkileşmeler

Plazma ortamına bir elektrik alan uygulanması halinde ortamdaki elektronlar enerji kazanarak elektriksel deşarjı oluşturmak üzere hızlanırlar ve ortamdaki ağır parçacıklar ile elastik olmayan çarpışmalar gerçekleştirirler. Sonuçta çeşitli reaksiyonlar oluşur. Bunlar aşağıda özetlenmiştir [33].

a) Đyonizasyon

Plazma ortamında elektriksel deşarj oluştururken elektron ile moleküller arasındaki çarpışma sonucunda;

e^-+A₂→A2+

+2e^- e^-+A₂→A2-

(Rezonans ya da bozucu olmayan yakalama) e^-+A₂→A⁺ + A + 2e^-

e^-+AB→2e^-+A⁺ + B

reaksiyonlarından birisi gerçekleşir ve sonuçta pozitif, negatif, atomik ya da moleküler iyonlar üretilir.

Plazmada ya da elektriksel deşarj içerisinde iyonizasyon işleminin gerçekleşebilmesi için, elastik olmayan çarpışmalar sonucu ağır parçacıklara aktarılan enerjinin atom ve moleküllerin iyonlaşma enerjilerinden büyük olması gerekir. Bazı atom ve moleküllerin iyonizasyon potansiyelleri çizelge 2.1’de gösterilmiştir. Bu

(23)

iyonizasyon potansiyelleri soğuk plazmalardaki ortalama elektron enerjisinden büyüktür [33].

Çizelge 2.1 Bazı atom ve moleküllerin iyonizasyon potansiyelleri

Đyonlaşmadan önceki durum

Đyonlaşmadan sonraki durum

Gerekli iyonlaşma enerjisi (eV)

Ar Ar

⁺ ^15.8

Ar

+

Ar

⁺⁺ ^27.6

CH

4 ⁺

CH

4 ¹³

N

2

N

₂⁺ ^15.6

Çizelge 2.1’de görüldüğü gibi yüksek enerjili elektronlar da iyonizasyon reaksiyonlarına katılabilirler. Đyonizasyon bazen adım adım da gerçekleşebilir.

Öncelikle, düşük enerjili elektron çarpışması sonucu, molekül yarı kararlı hale gelir.

Daha sonra ise, elektron ile yarı kararlı molekül çarpışarak iyonizasyon gerçekleşebilir.

Ancak, bu mekanizma baskın değildir. Bu reaksiyon rezonans ya da bozucu olmayan yakalama reaksiyonudur. Rezonans ya da bozucu olmayan yakalamaya örnek olarak;

e+O₂→O2-→O + O^-

verilebilir. Bu reaksiyon Oksijen plazmasının oluşum reaksiyondur. Bu reaksiyon için eşik potansiyeli 4.53eV’dir. O⁺ve O^- çiftini doğrudan ayırmak için ise 17.28 eV gerekir [33].

Oksijen, halojen ve halojen içeren moleküller, negatif iyon yapısına eğilimli moleküllerdir. Doğrudan iyonizasyonun yanında, ayrıştırıcı ekleme ve bozucu olmayan yakalama reaksiyonu ile, negatif iyonlar üretebilir. Bu moleküller için tesir kesiti, düşük elektron enerjilerinde oldukça yüksek değerdedir [33].

b) Uyarılma

Ağır parçacıklar ile yeterli enerjili elektronların çarpışması sonucu atom ve moleküllerin uyarılmış durumları oluşabilir. Uyarılma reaksiyonları;

(24)

υ υ υ

h AB e

AB e AB e

h A e e A A e

h A e A e A e

+ +

→ +

+ +

→ +

+ +

→ +

−

∗

−

∗

−

*

2 2

2

şeklindedir ve tüm reaksiyonlar sonucunda karakteristik bir foton oluşur [33].

Atomlar sadece elektronik olarak uyarılmış durumlara ulaşabilirken, moleküller titreşim ve dönme için uyarılmış durumlara ulaşabilirler [33].

Plazma içerisinde bulunan elektronik olarak uyarılmış atom, radyasyon yayınlayarak taban seviyesine döner. Plazmadan yayınlanan bu radyasyon UV bölgeden IR bölgeye kadar olan bölgededir. Radyasyonlu bozunmada uyarılmış türlerin kısa yaşam süreleri, reaksiyonlara katılmalarına engel olur. Yarı kararlı atom doğrudan radyasyonlu geçişler ile taban seviyelerine dönemediklerinde, τ_m’ye göre daha uzun ömüre sahip olurlar ve reaksiyonlara bu şekilde katılmaya devam ederler [33].

Uyarılma reaksiyonları sonucu, plazmadan yayınlanan

h υ

enerjili fotona bağlı olarak, plazmanın rengi de değişmektedir. Yani farklı gazların plazmaları farklı renklerdedir. Örneğin; azot plazması mor, helyum plazması mavi, sodyum plazması sarı ve neon plazması kırmızı’dır.

c) Ayrışma

Bir molekül ile bir elektronun elastik olmayan çarpışmalarında ayrışma reaksiyonu gerçekleşebilir. Bu tür reaksiyonlar aşağıdaki gibidir:

B A e AB e

e A A

e

+ +

→ +

+

→ +

−

− ₂ 2

Molekül bir eşik değerinin üzerindeki bir değere uyarıldığında, ayrışma reaksiyonu meydana gelebilir. Yavaş elektronlar ile moleküllerin çoğunun ayrışması, elektronik uyarılmayla gerçekleşir. Örneğin H2 için eşik değeri 8.8m0.2 eV’dir [33].

(25)

Soğuk plazmalarda bozucu ekleme, bozucu iyonizasyon ve ayrışma reaksiyonları, atomların, serbest radikallerin ve negatif iyonların üretilmesi için önemli bir reaksiyondur [33].

d) Ayrıştırıcı eklenme

Plazma ya da elektriksel deşarj oluşturmak için elektronegatif gazlar kullanıldığında, düşük enerjili elektronlar ( < 1 eV ) moleküler gazın atomlarından bir tanesine eklenebilirler. Bu reaksiyon itici bir elektronik etki oluşturduğundan, moleküller oldukça hızlı şekilde ayrışır ( ~10^-13s) ve bu reaksiyonun sonunda negatif iyonlar oluşur [33].

−

− +AB→ A+B

e (Ayrıştırıcı eklenme)

Negatif iyonlar ayrışmalı iyonizasyon reaksiyonları ile de üretilebilir ve reaksiyonlar aşağıdaki şekilde yazılabilir [33]:





 + +

→ +

+ +

→ +

−

− +

−

− +

−

e B A AB e

e A A A

e ₂

(Đyon çifti reaksiyonu)

Đyon çifti reaksiyonları ile tanımlanan reaksiyonların eşik enerji değeri ayrıştırıcı eklenme reaksiyonunun eşik enerji değeri ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir [33].

Ayrıştırıcı ekleme reaksiyonlarına örnek olarak;

−

+

→ + +

→ +

+

→ +

F CF e

F CF CF

e

O O e O O

e

3 3

4

2 2

verilebilir. Ayrıştırıcı ekleme reaksiyonlarının tesir kesiti, elektronların kinetik enerjilerine bağlıdır. Elektronların kinetik enerjisi arttıkça, ayrıştırıcı eklenme reaksiyonu tesir kesit değeri azalır [33].

e) Yeniden birleşme

Plazma ya da elektriksel deşarjlar içerisinde bulunan zıt yüklü parçacıklar yeniden birleşme reaksiyonunu gerçekleştirerek, plazma içerisinden kaybolabilirler.

Elektronlar ve atomik iyonlar arasında gerçekleşen yeniden birleşme reaksiyonu

(26)

sonucunda, radyasyon emisyonu oluşur ve radyasyonlu yeniden birleşme reaksiyonu olarak isimlendirilir [33].

υ h Ar Ar

e⁻+ ⁺ → +

Ayrıca, moleküler iyonlarla elektronların yeniden birleşme reaksiyonu, molekülün bozulmasına sebep olabilir. Bu reaksiyon ise;

B A AB e

AB⁺ + ⁻ ⇔ ^∗ → ^∗+ A A

e⁻ + ₂⁺ →2 şeklinde gerçekleşir [33].

2.1.2. Ağır parçacıklar arasındaki reaksiyonlar

Ağır parçacıklar arasındaki reaksiyonlar, elektronlara nazaran, büyük parçacıkların (moleküller, atomlar, radikaller ve iyonlar gibi) çarpışmaları sonucunda meydana gelir. Bu reaksiyonlar iyon-molekül ve radikal-molekül reaksiyonları olmak üzere iki kategoride gruplandırılabilir. Đyon-molekül reaksiyonlarında en az bir tane iyonun reaksiyona girmesi gereklidir. Radikal-molekül reaksiyonları ise, sadece nötral parçacıklar arasında meydana gelir [33].

a) Đyon-molekül reaksiyonları i- Đyonların birleşmesi

Zıt yüklü iki iyonun elastik olmayan çarpışmaları sonucunda;

• Ürün olarak yeni bir molekül ve bir adet foton oluşabilir, υ

h AB B

A⁺ + ⁻ → +

• Uyarılmış iki adet atom ve bir adette foton oluşabilir.

υ h B A B

A

⁺

+

⁻

→

^∗

+

^∗

+

Her iki reaksiyon da iyonların nötralleşmesine neden olur. Yeniden birleşen iyonların toplam enerjileri, genellikle uyarılmış nötrallerin enerjilerinden daha

(27)

büyüktür. Her iki reaksiyon sonunda fazlalık enerji, radyasyon olarak açığa çıkar.

Đyonların yeniden birleşme reaksiyonunun gerçekleşebilmesi için, üçüncü bir parçacığının (M) reaksiyonda bulunması gerekir [33].

M AB B

A

M +

⁺

+

⁻

→ +

ii-Yük transferi

Bir iyon ve bir nötral parçacığın (atom veya molekül) reaksiyona girmesi sonucunda, iyonun elektrik yük değeri nötral parçacığa geçebilir. Bu reaksiyon, yer değiştirme reaksiyonu olarak da tanımlanmaktadır.

• özdeş iki parçacık arasında,

A A A

A+ ⁺ → ⁺ +

• özdeş olmayan parçacıklar arasında,

+ +

+

→ +

+

→ +

BC A BC A

A B A

B

₂ ₂

şeklinde gerçekleşebilir. Özdeş atomlar arasında gerçekleşen yük transferi reaksiyonu sonunda, kimyasal olarak hiçbir değişim gözlenmez. Sadece iyonlar yavaşlarken, nötralleşen atomun hızlandığı görülür. Yüklü bir iyon ile nötral bir molekülün çarpışma reaksiyonu, ayrışmalı yük transferi olarak isimlendirilir ve

C B A BC

A

⁺

+ → +

⁺

+

şeklinde ifade edilir [33].

iii- Ağır reaktantların transferi

Đyon-molekül reaksiyonlarının bu çeşidinde, reaksiyon sonucunda yeni moleküller ve atomlar oluşurken, aynı zamanda yük transferi reaksiyonu da gerçekleşir.

Bu reaksiyon aşağıdaki gibi ifade edilir.



 

 +

→ +

+

₊

+ +

C AB

C BC AB

A

(28)

iv- Birleştirici ekleme

Negatif bir iyon ve bir radikal arasında gerçekleşen reaksiyonda, negatif iyon radikaller ile birleşme reaksiyonunun ürünü olarak yeni bir molekül ve serbest bir elektron oluşturur. Bu reaksiyon birleştirici ekleme reaksiyonu olarak tanımlanır ve

e ABC BC

A

⁻

+ → +

b) Radikal-molekül reaksiyonları

Bu reaksiyonlar plazma içerisindeki radikaller ile moleküllerin etkileşmeleri sonucu oluşur. Radikaller oldukça kararsız yapıda oldukları için çok kısa bir sürede tekrar kararlı yapıya dönmek istedikleri için, kimyasal olarak oldukça aktiftirler.

i- Elektron transferi

Đki nötral radikalin çarpışması sonucu, bir adet pozitif iyon ve bir adet negatif iyon oluşabilir. Bu reaksiyon;

− +

+

→

+ B A B A

şeklindedir. Bu reaksiyon, plazma ya da elektriksel deşarj içerisinde oldukça yüksek kinetik enerjiye sahip bir atom bulunuyorsa gerçekleşir [33].

ii- Đyonizasyon

Đki adet yüksek kinetik enerjili nötral radikaller arasındaki reaksiyon sonucu nötral atomlardan bir tanesi iyonlaşır ve reaksiyon

− + + +

→

+B A B e

A şeklinde ifade edilir [33]

(29)

iii- Penning iyonizasyonu /ayrışması

Penning reaksiyonlarının oluşabilmesi için, yüksek enerjili yarı kararlı atomların çarpışma reaksiyonuna girmesi gerekir. Nötral atom ile yarı kararlı atomun (B*) elastik olmayan çarpışmasında, uyarılmış yarı kararlı atom fazlalık enerjisini bünyesinden uzaklaştırmak için iyonizasyon ya da ayrışma reaksiyonuna sebep olabilir. Bu reaksiyonlar;

B A A

B

e B A A B

+

→ +

+ +

→

+ ⁺ ⁻

2

* ₂

*

Penning reaksiyonları çoklu gaz karışımı plazmalarında oldukça önemli bir reaksiyondur ve tesir kesiti değeri oldukça büyüktür. Penning reaksiyonlarının gerçekleşebilmesi için; yarı kararlı atomların enerjileri, reaksiyona giren diğer atom veya molekülün iyonizasyon potansiyeli veya ayrışma potansiyelinden daha fazla olmalıdır [33].

iv- Atom birleşmesi

Bu reaksiyon sadece nötral atom ve nötral molekül arasında gerçekleşebilir.

Reaksiyonun tamamlanması için atom ve molekülün fazlalık enerjisinin reaksiyona giren üçüncü bir M parçacığı tarafından alınması gerekir [33].

M ABC M

BC

A + + → +

v- Atomların yer değiştirmesi

Atomların yer değiştirme reaksiyonunda, nötral atom bir molekülün yapısında bulunan bir atomu söker ve bu sökülen atomun yerine kendisi geçer. Bu reaksiyon;

C AB BC

A + → +

şeklinde gerçekleşir [33].

(30)

vi- Radikallerin yeniden birleşmesi

Kimyasal olarak aktif olan radikaller arasında gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda farklı bir molekül oluşabilir. Enerji ve momentum reaksiyon süresince korunmalıdır. Monoatomik radikallerin yeniden birleşme reaksiyonu sadece, plazma içerisinde üçüncü bir parçacık bulunuyorsa ya da plazma katı bir yüzey ile etkileşiyorsa gerçekleşebilir.

Radikaller genellikle iki tip reaksiyon oluşturur. Bu reaksiyonlar;

• Yer değiştirme ;

2 C

₂

H

₅

→ C

₂

H

₄

+ C

₂

H

₆

• Birleşme;

2 C

₂

H

₅

→ C

₄

H

₁₀ reaksiyonlarıdır [33].

vii- Kimyasal lüminesans

Uyarılma kimyasal bir reaksiyon esnasında da gerçekleşebilir. Kimyasal bir reaksiyon olmaksızın da kimyasal lüminesans oluşabilir. Bu reaksiyonlar;

A BC CA

B

BC A BC A

+

→ +

+

→

∗

+

*

şeklindedir. Bu reaksiyonlar Penning tipi reaksiyon olarak da tanımlanır. Uyarılmış radikal BC* genellikle uyarılmış durumdan, radyasyonlu bozunma reaksiyonu ile taban seviyesine dönebilmektedir ve

υ h AB AB * → +

olarak ifade edilir. Bu şekilde oluşan foton kimyasal lüminesans olarak tanımlanmaktadır.

(31)

3. GAZ KARŞIMI PLAZMALARINDA GERÇEKLEŞEN OLAYLAR

3.1. Atomların ve Moleküllerin Uyarılması

Plazması oluşturulacak olan gaz içerisindeki elektronlar, kinetik enerjilerine bağlı olarak gazın atom ve molekülleri ile etkileşmeye girerler. Bu reaksiyon, uyarılma tesir kesiti değerine ve parçacığın enerjisine bağlı olarak gerçekleşebilir.

Taban durumunun üzerindeki ilk seviye rezonans seviyesi olarak isimlendirilir ve bu geçişe karşılık gelen enerji “rezonans enerjisi” olarak bilinir. Atom rezonans seviyesinden taban seviyesine geçiş yaparken bu seviyelerin farklı paritedeki seviyeler olması ve iki farklı seviye arasındaki geçişin izinli olması gerekir.

Atom ve moleküllerin uyarılma reaksiyonları genel olarak,

−

∗

−+ X → X +e

e

şeklinde ifade edilebilir. Bu reaksiyondaki X terimi nötral atom veya molekülü, X terimi ise reaksiyon sonunda oluşan uyarılmış atom veya molekülü temsil ∗

etmektedir [34].

3.2 Atomların ve Moleküllerin Đyonizasyonu

En basit anlamda atomların ve moleküllerin iyonizasyon reaksiyonları,

− +

−

− +X →e +X +e

e

şeklinde ifade edilir [35]. Taban seviyesinde bulunan hidrojen ve hidrojene benzeyen atomlar için iyonizasyon enerjinin değeri;

2

0 2

2 



 



− 

= n

Z a

U

_i

ke

(3.1)

denklemi ile hesaplanır. Bu ifadedeki, m; elektronun kütlesini, Z atom numarasını,

a

0; Bohr yarıçapı ve nbaş kuantum sayısını temsil eder [36].

(32)

Đyonizasyon tesir kesiti Q ifadesi; _i

2 4

Z

Q_i ≈ n (3.2)

ile orantılıdır. Đyonizasyon tesir kesiti elektronların enerjisinin artması ile bir maksimum değere kadar artar.

Plazma içerisindeki yarı kararlı atomun elektronlar ile elastik olmayan çarpışması sonucunda oluşturacağı iyonizasyon reaksiyonunun tesir kesiti değeri, normal atomun elektron ile çarpışması sonucu oluşturacağı iyonizasyon tesir kesiti değerinden daha büyüktür. Plazma içerisinde yüksek enerjili elektronlar varsa (~10⁴eV), iyonizasyon sonucu elektron serbest hale geçebilir. Bu gibi işlemlerin reaksiyon oranları küçük olduğundan, elektronlar ve radikaller enerji korunum yasalarını sağlamada önemli rol oynarlar.

3.3 Đyon-Đyon ve Đyon-Elektron Yeniden Birleşmesi

Plazma ya da elektriksel deşarj içerisindeki zıt işaretli yüklü parçacıklar arasında karşılaşılan ve yük nötralizasyonu anlamına gelen reaksiyon, yeniden birleşme reaksiyonudur (McDaniel,1964). Reaksiyona giren her iki parçacık da iyon olduğunda iyon-iyon, bu parçacıklardan bir tanesi elektron diğeri pozitif işaretli iyon olduğunda iyon-elektron yeniden birleşme reaksiyonu gerçekleşir [37].

Đki zıt yüklü parçacığın yeniden birleşme oranı, yeniden birleşme katsayısı olan α ile ifade edilir. Birim hacim ve birim zamandaki pozitif iyon yoğunluğu n⁺ ile, negatif iyon yoğunluğu n⁻ ile, yeniden birleşme reaksiyonu sayısı ise R terimi ile ifade edilir ve

−

= n+n

R α ^(3.3)

(33)

bağıntısı ile hesaplanır. α her zaman pozitif bir değere sahiptir ve birimi cm³/s ’dir. α yeniden birleşme katsayısı, yeniden birleşme tesir kesiti değeri olan q_r(υ₀)terimi ile ifade edilmektedir ve

∫

∞

=

0

0 0 0

0 (υ ) (υ ) υ υ

α q_r f d (3.4)

şeklinde ifade edilir [37]. Bu ifadedeki f(υ₀)dυ₀terimi, υ₀ve υ₀ +dυ₀arasındaki hızlara sahip olan pozitif ve negatif iyonlar arasında gerçekleşen çarpışma tesir kesiti değeridir [37].

Zıt yüklü iki iyonun plazma ya da elektriksel deşarj içerisinde birim zamanda sayılarında meydana gelen azalma miktarı eşit olduğunda, plazmadan ya da elektriksel deşarjdan difüzyon yoluyla gerçekleşen kayıplar ihmal edilebilir ve bu durumda iyonizasyon kaynağı eylemsizdir. Bu durumda birim zamanda meydana gelen iyon-iyon yeniden birleşme reaksiyonu katsayıları eşit olur ve böyle sistemler için,

− +

−

=

= n n

dt dn dt

dn α ^(3.5)

şeklinde yazılabilir. t =0’da n =n₀ olduğunu kabul edersek, difüzyon kayıpları olmadığından n⁺ =n⁻ =n şeklinde yazılır ve denklem (3.5)’de yerine yazılıp diferansiyel denklem çözümlenirse;

n t n = +α

0

1

1 (3.6)

ifadesi elde edilir ve α değeri zamanla lineer bir değişim gösterir [37].

Pozitif ve negatif iyon sayılarındaki azalma sadece iyon-iyon yeniden birleşmesi nedeniyle gerçekleşiyorsa, birim zaman (1s) ve birim hacimde (1cm³) üretilen Q iyonlarını,

n2

dt Q

dn = −α (3.7)

ifadesi ile elde edebiliriz.

(34)

=0

t ’da n=0 olduğunu ve yine difüzyon kayıplarının olmadığını kabul edersek denklem (3.7) ifadesinin çözümünden;

1 1

2 2 2 1

+

 −



 



=

Qt Qt

e e n Q

α α

α ^(3.8)

elde edilebilir. e² ^α^Qt ifadesinin büyük olduğu durum için, 1 1 1

2 2

+ ≅

−

Qt Qt

e e

α α

olacağından denklem (3.8),

12



 



=

∞ α

n Q (3.9)

şekline dönüşür [37].

3.3.1 Đyon-iyon yeniden birleşmesi

Đyon-iyon yeniden birleşme reaksiyonlarının sonucunda toplam iç enerji azalır.

Atomik iyonların enerjilerindeki bu azalma, pozitif iyonun iyonizasyon enerjisi ve negatif iyonun elektron çekiciliği arasındaki farka eşittir. Bu enerjinin üçüncü bir parçacığa aktarılması, elektromanyetik radyasyon emisyonuyla ya da nötral atomların elektronik olarak uyarılmalarıyla gerçekleşebilir ve nötral üçüncü parçacığın kinetik enerjisinde artmaya sebep olur [37]. Reaksiyon boyunca lineer ve açısal momentum korunmaktadır. Pozitif ve negatif iyonlar arasında aşağıdaki reaksiyonların bir tanesi gerçekleşecektir [37].

Z XY Z

Y

X⁺+ ⁻+ → + (a) υ

h XY Y

X⁺+ ⁻ → + (b)

∗

−

+ +Y → X +Y

X (c)

Üç parçacıklı yeniden birleşme reaksiyonu, (a) reaksiyonu ile tanımlanır ve plazma ya da elektriksel deşarj reaktörünün basıncı birkaç mmHg ( 0°C’de 1 Torr)

(35)

olduğunda gerçekleşebilen en önemli reaksiyon mekanizmasıdır [37]. Reaksiyon (b) ve (c) ise, radyasyonlu yeniden birleşme ve yük değişimi ile ortak nötralizasyon reaksiyonlarıdır. Bu iki reaksiyon düşük basınçlarda baskındır ve reaksiyonun oluşması için sadece iki parçacık gerektirir. Đyonların bir tanesi ya da her ikisi moleküler olduğunda, ayrıştırıcı reaksiyon;

Z Y X Z

XY⁺+ ⁻ → + + şeklinde gerçekleşebilir [37].

Đyon-iyon yeniden birleşme reaksiyonu, üç parçacıklı yeniden birleşme reaksiyonu, radyasyonlu yeniden birleşme ve ortak nötralizasyon reaksiyonları şeklinde gerçekleşir.

a) Üç parçacıklı yeniden birleşme reaksiyonu

Üç parçacıklı yeniden birleşme reaksiyonu Thomson teorisi ile açıklanabilir. Bu teori aşağıdaki şekilde özetlenebilir.

+e ve – e yüklü iki iyonun, T sıcaklığındaki zayıf iyonize olmuş gaz içerisinde rasgele hareket ettiğini kabul edelim. Đyon başına ortalama kinetik enerji k_BT

2

3 ’ye

eşittir. Böylece;

T k V

m V

m _R _R _B

2 ) 3 2 (

) 1 2 (

1 ₂ ₂

=

= ⁻ ⁻

+ +

(3.10)

eşitliği yazılabilir.m iyonik kütleleri, ^± V ortalama iyonik hızı gösterir. Zıt yüklü iyon _R^± çiftinin ortalama kinetik enerjisi, aralarında r mesafesi olduğunda,

T k V

M_r _R _B

2 3 2

1 ₂

0 = (3.11)

(36)

olarak yazılır. M_rindirgenmiş kütle ve V_oR, r mesafede bağıl V₀hızının ortalama değeridir. Đyon çiftlerinin potansiyel enerjisi −e²/r’dir. Bu potansiyel enerji, iyonlar birbirinden oldukça uzak olduğunda sıfıra yaklaşır [37].

Thomson teorisine göre, toplam enerji negatif olduğunda iyon çiftleri birbirine yakın mesafededir. Yani, hareketin kinetik enerjisi, iyonları sonsuz uzaklığa götürmek için gerekli enerjiden daha az olur [37]. Bu modele göre, üç parçacıklı çarpışma gerçekleşmediğinde, yeniden birleşme imkânsızdır. Kısaca bu teori, radyasyon yayınlayarak uyarılmış halden kararlı hale geçiş olasılığının olmadığını söyler [37].

Ancak, iyonların bir tanesi molekül ile reaksiyona girdiğinde, diğer iyonun r₁ kritik mesafesinde yeniden birleşme reaksiyonunu gerçekleştirebilir [37].

Bu kritik mesafe;

kT r e

3 2 ²

1 = (3.12)

denklemi ile hesaplanabilir.

Thomson, iyonların her birinin etrafında r₁yarıçaplı negatif küre olduğunu kabul ederek modelini kurmuştur [37]. Thomson, negatif iyon küresi içerisinde gaz molekülleri ile saniye başına pozitif iyonların çarpışmalarının sayısı ve pozitif iyon küresi içerisinde gaz molekülleri ile saniye başına negatif iyonların çarpışmalarının sayısını hesaplamıştır. Bunların toplamını ise yeniden birleşme oranı olarak tanımlamıştır [37].

b) Radyasyonlu yeniden birleşme

Radyasyonlu yeniden birleşmede, yeniden birleşen iyonların fazlalık enerjisi elektromanyetik radyasyon olarak ortaya çıkar ve

υ h XY Y

X⁺ + ⁻ → +

şeklinde ifade edilir. Genellikle, radyasyonlu yeniden birleşme reaksiyonu esnasında en az 10^-8s zıt yüklerin birbirlerine yakın bir mesafede kaldıkları ölçülmüştür. Đyonların

(37)

termal enerjilerinin oda sıcaklığında olduğunu kabul edersek, ortalama bağıl hız yaklaşık 10⁵ cm/s’dir ve bir moleküler çapı kadar dönmesi için gerekli zaman, yaklaşık

10^-13s’dir. Uyarılmış halden kararlı hale geçerken fotonun yayınlanma olasılığı 10^-13s/10^-8s=10^-5 civarındadır [37].

c) Ortak nötralizasyon

Birkaç mmHg (∼1 Torr)’nın üzerindeki basınçlarda pozitif ve negatif iyonların yeniden birleşmesinde, reaksiyondaki fazlalık enerjiyi alan üçüncü bir parçacık söz konusudur. Düşük basınçlarda ise (<mmHg) ortak nötralizasyon reaksiyonu baskın olarak gerçekleşir.

∗

−

+ +Y →X +Y

X

Bu reaksiyon esnasında açığa çıkan yeniden birleşme enerjisi, ya atomların elektronik olarak uyarılması, ya nötral atomlara kinetik enerji ya da her ikisi de olacak şekilde aktarılır. Bu reaksiyonda, yük değişim reaksiyonu meydana gelerek atomlar nötralleşir. X⁺iyonu, Y⁻ iyonunun elektronunu her hangi bir anda yakalayarak nötralleşir ve geriye kalan nötral Y atomu ise enerjisini korur [37].

3.3.2 Đyon-elektron yeniden birleşmesi

Pozitif iyon ile elektronun yeniden birleşmesine sebep olan işlemlerin bazıları;

a- Radyasyonlu yeniden birleşme reaksiyonu υ h X e

X⁺+ ⁻ → ^∗+

şeklinde ifade edilir. Yayınlanmış radyasyonun spektrumu, yeniden birleşme spektrumu olarak isimlendirilir ve sürekli bir spektrumdur [38].

b- Eklenmeli radyasyon reaksiyonu

υ h X e

X⁺+ ⁻ → ^∗+

şeklinde ifade edilir. Pozitif bir iyon bir atom yakınından geçerken, atomun bir elektronunu yakalar ve elektronun sahip olduğu enerjiyi alarak uyarılmış hale gelir.

(38)

Reaksiyon sonunda ise uyarılmış nötral bir atom ve foton oluşur. Uyarılmış atom enerji olarak kararsızdır ve tekrar eski haline foton yayınlayarak döner [38].

c- Eğer pozitif iyon olarak bir molekül, bir elektron ile yeniden birleşme reaksiyonuna girerse, reaksiyon sonunda molekül atomlarına ayrışabilir ve ayrışan atomlar reaksiyon sonunda uyarılmış seviyededir.

∗

−

+ +e → X +Y Y

X_e ) _e

(

d- Üç parçacıklı çarpışma ile yeniden birleşme;

) ( ^∗

−

+ +e +Y → X +Y Y

X

şeklinde ifade edilir. Üçüncü parçacık bir atom ya da molekül olabilir [38].

3.4 Negatif Đyonların Üretilmesi

Atom ya da nötral molekül ile elektronların elastik olmayan çarpışmaları sonucunda, atom ya da nötral molekülün elektron yakalaması reaksiyonu gerçekleşebilir. Elektronlar, atom ya da moleküllere kolaylıkla yakalanırlar ve bu reaksiyon sonunda kararlı negatif iyonlar üretilebilir. Negatif iyonların oluşumu bazı atom ya da moleküllerin elektron çekiciliği ile ilgilidir. Bu çekicilik elektronegativite olarak isimlendirilir.

VII. grubun elementleri olan halojenler elektronegatif parçacıklardır çünkü bir elektron eklendiğinde son yörüngeleri dolar. Sonuçta soy gaz ve moleküler azot karakterini sergiler. Negatif iyonlar çeşitli temel reaksiyonlar sonucunda oluşur [5];

Atom ya da moleküllerin yavaş elektronlar ile çarpışmalarında;

a- Radyasyona sebep olan eklenme;

υ h X e

X + ⁻ → ⁻ + b- Ayrıştırıcı yakalanma;

−

∗

∗ −

− → → +

+e XY X Y

XY) ( )

(